JP5820697B2 - トラックボール - Google Patents

Description

本発明は、情報処理機器やゲーム装置などで使用されるトラックボールに関する。

一般に、情報処理機器やゲーム装置などで使用されるポインティングデバイスとして、トラックボールが知られている。例えば、機械式のトラックボールは、ボールの回転に追随して回転する、直交する２本の回転シャフトが配置され、回転シャフトに装着されたパルスカムの回転を光学センサ（フォトカプラー）により検出している。光学センサ（フォトカプラー）からは連続的に信号が出力され、この信号から検出されるパルス数（方形波）やパルス幅をもとにボールの回転量を検出しながら、画面上のカーソルの移動量へと変換する演算処理を行っていた。

例えば、特許文献１に記載されたトラックボールには、ボールを回転させることにより、オン・オフを繰り返してパルス信号を発生させるスイッチ手段を有するＸ方向パルス信号発生手段Ａ及びＹ方向パルス信号発生手段が設けられている。

特開平１０−３２０１１５号公報

このように従来技術によるトラックボールでは、ボールの回転速度（回転量）や回転方向など正確に検出するために、センサから連続的に出力される信号をもとにした大量のデータを高速処理する必要があった。また、正確にボールの回転速度（回転量）や回転方向を検出するために、精度良く回転を検出するための光学センサや機構が必要となっていた。

本発明は前述した事情に考慮してなされたもので、その目的は、ボールの回転を簡易な構成で検出し、処理負担を軽減させることが可能なトラックボールを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、ボールと、前記ボールの回転と連動して回転する第１の部材と、前記第１の部材の回転に遅れて追従するように動く第２の部材と、前記第２の部材の変位を検出する検出手段とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、ボールの回転を簡易な構成で検出し、処理負担を軽減させることが可能となる。

本実施形態におけるトラックボールの内部構造を示す図。 非接触構造が用いられた場合における図１中のＡ−Ａ線の断面を示す図。 接触構造が用いられた場合における図１中のＡ−Ａ線の断面を示す図。 Ｘ軸回転シャフト２０の軸方向から見た図。 突起部２６（滑りディスク２５）の可働範囲を規定する規定部材４０，４１が設けた例を示す図。 回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５の変化と、センサ２８，２９から出力される検出信号の関係を示す図。 図６とは異なる回転操作がされた場合の回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５の変化と、センサ２８，２９から出力される検出信号の関係を示す図。 Ｘ軸回転シャフト２０の軸方向から見た図。 滑りディスク２５の変化とセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃから出力される検出信号の関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるトラックボールの内部構造を示す図である。本実施形態におけるトラックボールは、単体の装置として構成される他、アミューズメント機器（ゲーム装置）、医療機器、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）等のコンピュータ端末など各種機器の筐体に実装される。図１は、筐体内に実装される主要な構造を示している。

ボール１０は、上部が筐体外に露出されており、使用者により操作される。ボール１０は、筐体内部で自由回転できるように、Ｘ軸回転シャフト２０とＹ軸回転シャフト３０とが圧接された状態で支持されている。

Ｘ軸回転シャフト２０とＹ軸回転シャフト３０は、ボール１０が回転されることにより連動して軸回転するよう支持されている。Ｘ軸回転シャフト２０は、シャフト支持部材２１，２２により回転可能に支持され、Ｙ軸回転シャフト３０は、シャフト支持部材３１，３２によって回転可能に支持されている。Ｘ軸回転シャフト２０とＹ軸回転シャフト３０とは、軸方向が直交するように配置されている。

Ｘ軸回転シャフト２０には、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５が取り付けられている。回転伝達ディスク２４は、円板状に形成されており、中心にＸ軸回転シャフト２０が貫通するようにして固定されている。回転伝達ディスク２４は、Ｘ軸回転シャフト２０の回転と連動して回転する。

滑りディスク２５は、回転伝達ディスク２４とほぼ同じサイズの円板に外周の一部に突起部２６を設けて形成されている。突起部２６は、滑りディスク２５の半径方向に、滑りディスク２５と近接させて設けられたセンサ２８，２９に到達する所定の長さで設けられている。滑りディスク２５は、中央部にベアリング（軸受け）２７が設けられており、ベアリング２７を介してＸ軸回転シャフト２０が貫通するようにして取り付けられている。

滑りディスク２５は、ベアリング２７を介してＸ軸回転シャフト２０が取り付けられているため、Ｘ軸回転シャフト２０の回転がそのまま伝わらない。また、滑りディスク２５には突起部２６が設けられているため、Ｘ軸回転シャフト２０（ボール１０）が回転されていないニュートラルな状態では、突起部２６の部分の重量によって、図１に示すように、突起部２６が下向きとなる位置（ニュートラル位置）にある。

滑りディスク２５は、回転伝達ディスク２４が回転されることにより、回転伝達ディスク２４に遅れて追従して回転するように構成される。本実施形態では、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５とを近接させて非接触で回転伝達ディスク２４の回転を滑りディスク２５に伝達する非接触構造と、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５とを接触するように配置し、回転伝達ディスク２４の回転を接触面における摩擦により滑りディスク２５に伝達する接触構造の何れが用いられるものとする。

図２は、非接触構造が用いられた場合における図１中のＡ−Ａ線の断面を示す図である。
非接触構造が用いられる場合、図２に示すように、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５は所定の間隔を設けて配置される。例えば、回転伝達ディスク２４の滑りディスク２５と相対する面には永久磁石が設けられ、滑りディスク２５の回転伝達ディスク２４に設けられた永久磁石と相対する面に金属プレートが設けられる。すなわち、ボール１０が回転されることにより回転伝達ディスク２４が連動して回転すると、滑りディスク２５がニュートラル位置に戻ろうとする作用に反して、回転伝達ディスク２４の回転が磁力によって滑りディスク２５に伝達して、滑りディスク２５が回転伝達ディスク２４の回転に遅れて追従するように回転する。その後、回転伝達ディスク２４が回転され続けることにより、滑りディスク２５は、回転伝達ディスク２４の回転に比例して回転方向に応力が働く。このように、回転伝達ディスク２４の回転と滑りディスク２５の回転とは完全同期をせず、回転数が間引かれる。

滑りディスク２５は、前述したように、回転伝達ディスク２４の回転が滑りディスク２５に伝達され、滑りディスク２５の突起部２６が所定の範囲内で移動するように、突起部２６の部分の重量が調整されて、ニュートラル位置に戻ろうとする作用が働くように構成されている。

なお、前述した説明では、回転伝達ディスク２４に永久磁石を設け、滑りディスク２５に金属プレートを設けるものとしているが、回転伝達ディスク２４に金属プレートを設け、滑りディスク２５に永久磁石を設けるようにしても良い。また、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５の両方に永久磁石を設けても良い。

図３は、接触構造が用いられた場合における図１中のＡ−Ａ線の断面を示す図である。
接触構造が用いられる場合、図２に示すように、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５は接触した状態で配置される。例えば、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５のそれぞれの接触面が、特定の摩擦を発生させる摩擦係数を有する部材により形成される。すなわち、接触構造が用いられる場合においても、ボール１０が回転されることにより回転伝達ディスク２４が連動して回転すると、滑りディスク２５がニュートラル位置に戻ろうとする作用に反して、回転伝達ディスク２４の回転が摩擦によって滑りディスク２５に伝達して、滑りディスク２５が回転伝達ディスク２４の回転に遅れて追従するように回転する。その後、回転伝達ディスク２４が回転され続けることにより、滑りディスク２５は、回転伝達ディスク２４の回転に比例して回転方向に応力が働く。このように、回転伝達ディスク２４の回転と滑りディスク２５の回転とは完全同期をせず、回転数が間引かれる。

センサ２８，２９は、突起部２６を検出するためのもので、例えばマイクロスイッチあるいはフォトカプラなどにより実現される。突起部２６は、滑りディスク２５の回転に伴ってＸ軸回転シャフト２０を中心として円弧軌道で移動する。センサ２８，２９は、円弧軌道を通過する突起部２６を検出可能な位置に配置される。センサ２８とセンサ２９は、ニュートラル位置にある突起部２６に対して対称位置に配置され、それぞれ異なる方向に滑りディスク２５が回転されたことを検出する。

図４は、Ｘ軸回転シャフト２０の軸方向から見た図である。
ボール１０が回転されていないニュートラルな状態では、図４に示すように、滑りディスク２５の突起部２６は下に位置している。ここで、例えばボール１０が図中Ａ方向に回転されると、ボール１０の回転に伴ってＸ軸回転シャフト２０と回転伝達ディスク２４が回転する。そして、回転伝達ディスク２４の回転が滑りディスク２５に伝達されると、滑りディスク２５の回転により突起部２６が図中Ｂ方向に円弧軌道に沿って移動する。図中Ｂ方向にはセンサ２９が配置されているため、センサ２９によって突起部２６の通過が検出される。

なお、ボール１０が図中Ａ方向と逆の方向に回転された場合には、突起部２６が図中Ｂ方向とは逆の方向に移動してセンサ２８によって検出される。

従って、Ｘ軸回転シャフト２０を回転させる方向のボール１０に対する回転操作については、２つのセンサ２８，２９により回転操作と回転方向を検出することができる。すなわち、Ｘ軸方向（Ｘ座標）の操作については、センサ２８による検出結果（検出有り“１”または検出無し“０”）とセンサ２９による検出結果（“１”または“０”）の２ビットのデータを処理すれば良い。

同様にして、Ｙ軸回転シャフト３０を回転させる方向のボール１０に対する回転操作については、２つのセンサ３８，３９により回転操作と回転方向を検出することができるので、トラックボールの操作について合計４ビットのデータを処理すれば良いことになる。これにより、トラックボールの操作に応じた処理を大幅に軽減することができる。

図５は、突起部２６（滑りディスク２５）の可働範囲を規定する規定部材４０，４１が設けた例を示している。
図５に示すように、センサ２８の近傍に突起部２６の移動を規制する規定部材４０が設けられている。例えば、突起部２６は、滑りディスク２５が回転されることによりセンサ２８の方向へ移動し、規定部材４０に当たると停止する。図５に示すように、センサ２８は、規定部材４０に当たって停止した突起部２６ａを検出することができる。

同様にして、突起部２６は、滑りディスク２５が回転されることによりセンサ２９の方向へ移動し、規定部材４１に当たると停止する。図５に示すように、センサ２８は、規定部材４１に当たって停止した突起部２６ｂを検出することができる。

このように、突起部２６の可働範囲を規定する規定部材４０，４１を設けることで、滑りディスク２５（突起部２６）をセンサ２８，２９によって検出可能とする位置まで移動可能とするように瞬間的にボール１０が回転操作されたか、あるいは継続してボール１０が回転操作されているかを検出することができるようになる。

なお、Ｙ軸回転シャフト３０側の構成は、前述したＸ軸回転シャフト２０側と同様であるものとして詳細な説明を省略する。

次に、本実施形態におけるトラックボールの動作及び作用効果について説明する。
以下の説明では、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５とが非接触構造により構成されているものとして説明する。また、図５に示すように、規定部材４０，４１が設けられているものとする。

ボール１０が利用者の操作によって回転されると、ボール１０の回転がＸ軸回転シャフト２０とＹ軸回転シャフト３０の少なくとも一方に伝達される。ここでは、Ｘ軸回転シャフト２０に回転が伝達された場合について説明する。

Ｘ軸回転シャフト２０が回転されると、Ｘ軸回転シャフト２０と固定されている回転伝達ディスク２４が共に回転する。回転伝達ディスク２４が回転されると、滑りディスク２５に対して磁気による非接触での回転伝達が行われる。

滑りディスク２５は、回転伝達ディスク２４の回転に追従するように回転する。これにより、滑りディスク２５に設けられた突起部２６が、回転方向に応じて、センサ２８あるいはセンサ２９の方向に移動する。
センサ２８，２９は、突起部２６の通過を検出すると検出信号を出力する。

図６は、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５の変化と、センサ２８，２９から出力される検出信号の関係を示す図である。
図６は、ボール１０に対して同じ方向に短時間の回転操作を繰り返した例を示している。図６（ａ）に示すように、ボール１０が回転されるのに伴って回転伝達ディスク２４が所定以上の回転数で回転すると、図６（ｂ）に示すように、回転伝達ディスク２４に追従するように滑りディスク２５に回転が伝達される。滑りディスク２５の回転移動量が所定以上となり突起部２６がセンサ２８またはセンサ２９の位置まで到達すると、センサ２８またはセンサ２９は、図６（ｃ）に示すように検出信号を出力する。この検出信号によりボール１０に対して同じ方向に短時間の回転操作を繰り返して実行されたことを判別することができる。

図７は、図６とは異なる回転操作がされた場合の回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５の変化と、センサ２８，２９から出力される検出信号の関係を示す図である。
図７は、ボール１０に対して同じ方向の回転操作が継続して行われた例を示している。図７（ａ）に示すように、ボール１０が回転されるのに伴って回転伝達ディスク２４が所定以上の回転数で継続して回転すると、図７（ｂ）に示すように、回転伝達ディスク２４に追従するように滑りディスク２５に回転が伝達され、回転移動量が所定以上の状態が継続する。滑りディスク２５の回転移動量が所定以上となり突起部２６がセンサ２８またはセンサ２９の位置まで到達すると、センサ２８またはセンサ２９は、図７（ｃ）に示すように検出信号を出力する。この検出信号によりボール１０に対して同じ方向に継続して回転操作が行われていることを判別することができる。

このように、本実施形態におけるトラックボールでは、ボール１０に対する回転操作を簡易な構成により検出して、データ量を削減するので、処理負担を軽減することができる。また、簡易な構成であっても、図６及び図７に示すように、ボール１０に対する操作の違いについても判別することができるので、ボール１０に対する操作を変えることにより情報処理機器等に対して異なる指示を与えることが可能である。

なお、前述した説明では、滑りディスク２５（突起部２６）の回転を検出するために一対のセンサ２８，２９を設けているが、複数対のセンサを設けることによって、ボール１０（Ｘ軸回転シャフト２０、Ｙ軸回転シャフト３０）の回転数に応じた滑りディスク２５，３５（突起部２６，３６）の変化を段階的に検出できるようにしても良い。

図８は、Ｘ軸回転シャフト２０の軸方向から見た図である。
図８に示す例では、突起部２６が移動する各方向に複数のセンサ、すなわち図中右方向については３つのセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃが設けられ、左方向については３つのセンサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃが設けられている。センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃとセンサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃは、それぞれ突起部２６が移動する円弧軌道上に配置され、突起部２６が移動された場合には、少なくとも１つのセンサが突起部２６を検出するように配置されているものとする。センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、センサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃは、前述と同様にして、例えばマイクロスイッチあるいはフォトカプラなどにより実現される。

なお、図８に示す例では、３対のセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、センサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設けているが、必要とする分解能に応じた数のセンサを突起部２６の可動範囲内に任意に配置することが可能である。また、Ｘ軸回転シャフト２０に対して複数対センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、センサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設ける場合には、Ｙ軸回転シャフト３０（滑りディスク３５）に対しても、図８と同様にして、複数対のセンサを設けるものとする。

図９は、滑りディスク２５の変化とセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃから出力される検出信号の関係を示す図である。
図９は、ボール１０に対して同じ方向の回転操作が継続して行われた例を示している。ボール１０が回転されることにより回転伝達ディスク２４が所定以上の回転数で継続して回転すると、回転伝達ディスク２４に追従するように、図９（ａ）に示すように、滑りディスク２５に回転が伝達され、回転移動量が所定以上の状態が継続する。

滑りディスク２５が回転されて、突起部２６がセンサ２８ａの位置まで到達すると、センサ２８ａは、図９（ｂ）に示すように検出信号を出力する。また、滑りディスク２５の回転移動量が増加して、突起部２６がセンサ２８ｂの位置まで到達すると、センサ２８ｂは、図９（ｃ）に示すように検出信号を出力する。さらに、滑りディスク２５の回転移動量が増加して、突起部２６がセンサ２８ｃの位置まで到達すると、センサ２８ｃは、図９（ｄ）に示すように検出信号を出力する。

同様にして、図９に示すように、滑りディスク２５の回転移動量が減少し、各センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃの位置に突起部２６が到達すると、図９（ｂ）〜（ｃ）に示すように、検出信号が出力される。

このように、複数対のセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、センサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設けることで、ボール１０の操作の強さ（速さ）によって異なる滑りディスク２５の回転移動量を段階的に検出することができる。従って、ボール１０に対する操作の強さ（速さ）を変えることにより情報処理機器等に対して異なる指示を与えることが可能である。

また、図９（ｂ）〜（ｃ）に示すように、滑りディスク２５が回転されている場合には、少なくとも１つのセンサにより突起部２６が検出されるようにしているので、センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃからの出力信号をもとに、回転移動量が増加する方向に滑りディスク２５が回転されているか、あるいは回転移動量が減少する方向に滑りディスク２５が回転されているかを判別することができる。

また、図８に示すように、１つの滑りディスク２５に対して複数対のセンサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、センサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設けたとしても、センサ毎に検出有り“１”または検出無し“０”のデータが出力されるだけであるので、ボール１０（Ｘ軸回転シャフト２０、Ｙ軸回転シャフト３０）の回転をパルスカムとフォトカプラによって検出する場合と比較して大幅にデータ量が少なくて済む。

なお、前述した説明では、滑りディスク２５は、滑りディスク２５の自重（突起部２６の部分の重さ）によって、回転伝達ディスク２４が回転されていない場合にはニュートラル位置に戻るようにしているが、他の構造によりニュートラル位置に戻るようにしても良い。例えば、バネやゴムなどの伸縮部材を突起部２６の先端部と筐体等との間に設けて、滑りディスク２５がニュートラル位置に戻ろうとする作用が働くようにしても良い。

また、前述した説明では、回転伝達ディスク２４，３４と滑りディスク２５，３５は、円板状をしているが他の形状としても良い。また、例えば、回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５のディスク面を接触状態あるいは非接触状態で相対させて回転を伝達させているが、他の形態によって回転を伝達するようにしても良い。例えば、回転伝達ディスク２４の外周に、リング状に構成された滑りディスク２５を設け、回転伝達ディスク２４の外周面と滑りディスク２５の内周面とを相対（接触状態、非接触状態の何れでも良い）させることにより、回転伝達ディスク２４の回転を滑りディスク２５に伝達する。また、滑りディスク２５をリング状にするだけでなく、リングの一部を切り取った形状（例えば、下部半分）としても良い。

また、前述した構成では、ボール１０の回転をＸ軸回転シャフト２０とＹ軸回転シャフト３０に伝達しているが、ボール１０の回転をシャフト以外の部材を介して回転伝達ディスク２４に伝達する構成としても良い。また、ボール１０の回転を伝達するためのシャフトや滑りディスクを省略して、ボール１０の回転を同期しないように滑りディスク２５に相当する部材（滑り部材）に直接伝達する構成としても良い。例えば、ボール１０と滑り部材とを、前述した回転伝達ディスク２４と滑りディスク２５と同様の部材により構成し、接触状態あるいは非接触状態で相対させて、ボール１０の回転を間引いて伝達させる。

また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…ボール、２０…Ｘ軸回転シャフト、２４，３４…回転伝達ディスク、２５，３５…滑りディスク、２６，３６…突起部、２７…ベアリング、２８，２９，３８，３９…センサ、３０…Ｙ軸回転シャフト。

Claims (6)

1. ボールと、
   前記ボールの回転と連動して回転する第１の部材と、
   前記第１の部材の回転に遅れて追従するように動く第２の部材と、
   前記第２の部材の変位を検出する検出手段と
   を具備したことを特徴とするトラックボール。
2. 前記検出手段は、前記第２の部材の変位を非連続に検出することを特徴とする請求項１記載のトラックボール。
3. 前記検出手段は、前記第２の部材の変位を複数箇所で検出する複数のセンサを含むことを特徴とする請求項２記載のトラックボール。
4. 前記第１の部材と前記第２の部材とを近接して配置し、前記第１の部材の回転を磁力により前記第２の部材に伝達させることを特徴とする請求項１記載のトラックボール。
5. 前記第１の部材と前記第２の部材とを接触するように配置し、前記第１の部材の回転を接触面における摩擦により前記第２の部材に伝達させることを特徴とする請求項１記載のトラックボール。
6. 前記ボールと圧接され、前記ボールの回転に伴って軸回転するシャフトをさらに具備し、
   前記第１の部材がディスク状に形成され、前記第１の部材の中心を貫通するように前記シャフトが固定され、
   前記第２の部材がディスク状に形成され、前記第２の部材の中心を貫通するようにベアリングを介して前記シャフトが取り付けられ、
   前記第１の部材と前記第２の部材のディスク面が相対するように配置されたことを特徴とする請求項１記載のトラックボール。

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